在高溫下工作的鋼件,由于氧化具有自發性,所以氧化是一定要發生的。但是氧化速度、繼續氧化問題是可以改變和控制的,其主要途徑有以下幾方面。
(1)加入合金元素降低氧化膜中各種元素的擴散
加入不同的合金元素會改變鋼表面氧化膜的結構和性能。當加入合金元素后,基體金屬A及合金元素B在氧化時可能出現以下三種情況:
?、傩纬葾的氧化物中含有B離子;
?、谛纬葿的氧化物中含有A離子;
?、跘、B各自形成氧化物。
這些不同結構的氧化物形成時,氧化膜中的空位也同時發生變化。如在P型半導體中(金屬離子空位)加入低價合金元素離子,由于低價元素對靜電場的平衡貢獻少,可由更多的金屬離子注入空位,使氧化膜中金屬離子空位濃度被降低,因此通過空位的傳導被減弱,金屬抗氧化性將提高。如NiO的氧化膜中溶進一些二價Li2+離子,則Ni2+空位濃度降低,Ni2+的空位傳導減弱,阻止繼續氧化。
(2)加入合金元素提高氧化膜的穩定性
根據Fe-O相圖可知,當FeO的開始形成溫度升高時(即Fe3O4+α相區擴大,Fe3O4穩定),鋼的抗氧化性提高,使用溫度亦提高。合金元素氧化物的點陣結構、離子半徑、電負性的條件不同,穩定性也不同。Cr、Si、Al元素使FeO形成溫度顯著提高,當它們含量高時,FeO區消失;當這些元素溶入氧化膜,形成固溶體時,氧化膜會獲得固溶強化效果,因而固溶強化也會降低氧化膜中的傳導,增加氧化膜的穩定性。
(3)加入合金元素形成致密穩定的合金氧化膜層
當鋼中加入Cr、Ti、Si、Al元素時,則在氧化過程中,由于鐵離子氧化消耗,而Cr、Al、Si等氧化物穩定,會使氧化膜底層逐漸富積為穩定氧化物的膜層,形成以合金氧化物為主的氧化膜,如Al2O3、Cr2O3、SiO2等。當這些氧化膜形成時,Fe、O通過氧化膜的擴散嚴重受阻,鋼的抗氧化性顯著提高。在實際應用中,Cr、Al、Si等元素復合加入,形成互溶的氧化物或復雜的尖晶石結構,則抗氧化性更佳。